الثقوب السوداء في الكون المبكر

ثلاث خزائن مليئة بالحجارة. في الأولى: حبيبات معدنية ومعدن رمادي اسمه إنستاتيت. في الثانية: نفس الحبيبات لكن مع عروق صدأ. في الثالثة: طينات طبقية منتفخة بالماء. المجموعات الثلاث كلها أُخذت من نيازك سقطت على الأرض، وهي كوندريتات. وُلدت جميعها في قرص غباري واحد حول الشمس الفتية، لكنها خرجت مختلفة بشكل غريب. في السابق كان يُعتقد أن القرص يحتوي مناطق بكميات متفاوتة من الأكسجين.

على سطح القمر والكويكبات توجد حفر أصغر من رأس الدبوس، لكن بحواف لامعة منصهرة. تترك هذه الآثار نيازك دقيقة، لكن السرعة اللازمة لتكوّن الذوبان ظلت غير واضحة. لمعرفة ذلك، استبدل الباحثون الصخرة الفضائية بالليزر: نبضة قصيرة تسخّن نقطة على الصخرة تمامًا كما يفعل اصطدام ذرة غبار سريعة. أتاح الليزر ضبط الطاقة بدقة. عرّض العلماء عينات من الصخور للإشعاع وقاسوا الحفر الناتجة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان من المفترض أن تنشأ المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، وفقًا لقوانين التناظر في فيزياء الجسيمات الأولية. لكن اليوم، ما يحيط بنا هو المادة العادية (بروتونات، نيوترونات، إلكترونات)، بينما المادة المضادة (مضادات البروتونات، البوزيترونات، إلخ) نادرة الوجود.

ولادة القمر هي كارثة كونية. يصطدم كوكبان شابان، وتلتف سحابة من الحطام المتوهج حول العالم الناجي. من هذا القرص، كما لو كان من الطين على عجلة الخزاف، يتشكل قمر بمرور الوقت. هكذا، على الأرجح، وُلد قمرنا. لكن ماذا لو كانت عجلة الخزاف تهتز وتنتفض بسبب النجم نفسه؟ لقد درس علماء الفلك هذا السيناريو تحديدًا.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون عبارة عن "حساء" حارق من الجسيمات الأولية. ومع برودته، حدثت تحولات طورية في هذا المرق البدائي، تمامًا كما يتجمد الماء إلى جليد عندما تنخفض درجة الحرارة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة هائلة — هذه المرحلة تُسمى التضخم الكوني. حتى الفراغ لم يكن هادئًا حينها: هزّات كمية كانت تُرجّح الحقول، مثلما تُحرك الريح سنابل الحقل. أحد هذه الحقول — حقل هيغز المظلم — ربما انحرف عشوائيًا عن وضعه الأكثر استقرارًا. عندما انتهى التضخم، بدأ هذا الحقل يتأرجح ويتحلل، مولّدًا جسيمات — فوتونات مظلمة.

اهتز الكون بجلبة عالية في اللحظات الأولى. في عصر التضخم الكوني، عندما كان الكون يتوسع أسرع من الضوء، كانت الطاقات هائلة — أكبر بتريليونات المرات من تلك الموجودة في مصادم الهادرونات الكبير.

في 23 نوفمبر 2023، التقطت كاشفات LIGO شيئًا غريبًا. كانت إشارة الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج ثقبين أسودين، والتي حملت الرقم GW231123، تشير إلى كتل قياسية – 137 و101 كتلة شمسية – ودوران سريع بشكل غير طبيعي. لكان ذلك أثقل وأسرع زوج دوار تم تسجيله على الإطلاق.

الكون يشبه نسيجاً حريرياً تبرز منه خيوط الشبكة المظلمة. فنحن نرى اللوحات الحقيقية فقط على شكل قصاصات صغيرة – عبر التلسكوبات، وفي كتالوجات حقيقية لـالمجرات. ولفصل الإشارة الأساسية عن التداخلات الفيزيائية الفلكية في النمط الكوني، يتطلب التحليل الإحصائي آلاف المخططات المعقولة – خرائط اصطناعية للسماء.

ثلاثة أوتار غير مرئية تهتز في الفراغ بين المجرات. ليست هذه شعرًا، بل فرضية حول طبيعة المادة المظلمة — حقل كمومي فائق الخفة بسبين 1، يحمل ثلاث استقطابات. وعلى عكس النماذج القياسية مثل الأكسيون، تشبه المادة المظلمة المتجهية خيطًا ثلاثيًا مجدولًا من اهتزازات الفوتونات المظلمة (كما تُسمى هذه الجسيمات أحيانًا).

في هدوء السحب الجزيئية الباردة، حيث الغاز بين النجمي ينضغط بفعل الجاذبية إلى تكتلات كثيفة، تُعد ولادة النجوم الضخمة واحدة من أكبر ألغاز الفيزياء الفلكية. قد يبدو أن الإشعاع القوي للعملاق حديث الولادة من شأنه أن يبدد المادة المحيطة، موقفًا نموه.

نظر تلسكوب «جيمس ويب» إلى عصر كان فيه عمر الكون أقل من مليار سنة، ورأى أجسامًا غريبة — «نقاطًا حمراء صغيرة». وهي ثقوب سوداء بكتلة تعادل ملايين الشموس، لكن في مجرات صغيرة جدًا وغير متأثرة كيميائيًا تقريبًا. السيناريوهات القياسية لا تسمح بنمو مثل هذه الأثقال في هذا الوقت المبكر. التفسير الجديد يشبه إطعام سمكة قرش بسرب من الأسماك الصغيرة.

لطالما ساد في علم الكون اعتقاد مستمد من هوكينج: في عصر الإشعاع، لا تنمو الثقوب السوداء الأولية.

الكون مليء بالخفاء: حوالي 85% من المادة لا تشع ولا تمتص الضوء. هذه الكتلة المخفية، التي شككت بها أولاً فيرا روبين من خلال الدوران السريع غير الطبيعي للمجرات، نسميها المادة المظلمة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة لا يمكن تصورها. ترك هذا التمدد وراءه تموجات — تكثفات بالغة الصغر في الإشعاع والبلازما الساخنين. عندما برد الكون، بدأت هذه التكتلات تعيش حياتها الخاصة: بعضها تبدد، والبعض الآخر، الأكثر كثافة، انضغط ليشكل ثقوبًا سوداء. أعاد مؤلفو الدراسة إنشاء هذه العملية على الحاسوب باستخدام معادلات أينشتاين في صورتها الكاملة، دون تبسيط.

في البحث عن طبيعة المادة المظلمة، تنطلق إحدى أكثر الفرضيات تشويقاً من اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. حينها، من التقلبات الكمومية لحقل التضخم، نشأت تكتلات من المادة كانت قادرة على الانهيار إلى ثقوب سوداء بدائية.

في مركز المجرة، تعمل الجاذبية على تكثيف المادة المظلمة في "شوكة" كثيفة. مثل الشوكة المظلمة تشبه قمعًا من جسيمات غير مرئية حول جسم ضخم. ولكن إذا كان كل من المركز والجسيمات ثقوبًا سوداء بدائية، تنهار الصورة. الثقوب الخفيفة، بحجم كويكب، تولد تقريبًا بدون دوران. بدون دوران، لا تستطيع البقاء في المدار وتسقط على العملاق المركزي.

في البلازما الحارقة للكون الوليد، مباشرة بعد التوسع التضخمي الذي تصوره آلان غوث، ساد عصر الهيمنة الحركية. في هذا المرجل الفائر، حتى الحقول المغناطيسية الضئيلة — الأضعف من حقل الأرض بمليار مرة — لعبت دور قوس كوني، محدثة رنيناً أنتج ثقوباً سوداء بدائية.

لم يبدأ كل شيء من الفراغ، بل من محيط هائج من البلازما. في هذا الحساء البدائي، كانت الموجات الصوتية تجري عبر المادة النارية، وتتصادم وتضغطها. أحيانًا، يصبح التكتل كثيفًا لدرجة أن الضوء لا يستطيع الهروب — وهكذا، مباشرة من الغاز الملتهب، وُلد ثقب أسود بدائي. على عكس العمالقة التي تنشأ عند موت النجوم، قد تكون هذه الثقوب "الأحفورية" صغيرة جدًا — بحجم جبل أو حتى حبة رمل.

شبيهة بأجرام معلقة في سرير الطفل بخيوط تستجيب لأي هبة هواء، الكواكب التي تدور في مدارات واسعة جداً بالكاد تمسكها جاذبية نجمها — فتحس بأدنى «نسمات جاذبية». اقترح الفلكيون تحويل هذه الكواكب إلى كواشف لـالمادة المظلمة. هذه المادة الخفية لا تشع ضوءاً، لكنها بجاذبيتها تتحكم في حركة النجوم والمجرات.

في خزانة المطبخ توجد علبة سكر. إذا هززتها، تتوزع الحبيبات بشكل شبه متساوٍ — لا حاجة لوضع كل حبة بالملقط. وبنحو مماثل، ربما نشأت ثقوب سوداء صغيرة في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. كتلتها ككتلة كويكب، وحجمها أصغر من الذرة. وربما يتكون منها كل المادة المظلمة — تلك الكتلة غير المرئية التي تمنع المجرات من التمزق.

سحابة عملاقة من المادة غير المرئية تعمل كمرآة مشوهة — تحرف ضوء مجرة بعيدة. من خلال هذه التشوهات، يمكن لعلماء الفلك وزن السحابة والنظر إلى أعماقها. وبهذه الطريقة، وباستخدام عدسة ثقالية طبيعية برمز JVAS B1938+666، صادف العلماء أمرًا غريبًا: داخل العدسة يختبئ جسم كتلته مليون شمس، لكنه مضغوط إلى حجم صغير بشكل غير متوقع. وكأنه كرة رصاص صغيرة داخل كتلة قطن ناعمة.

الكون مليء باللامرئي. نعرف عن المادة المظلمة من دوران المجرات وعدسات الجاذبية، لكن طبيعتها تفلت منا منذ قرن. أحد أكثر الافتراضات جرأة، الذي طرحه ستيفن هوكينغ، يقول: قد تتكون المادة المظلمة من ثقوب سوداء بدائية — أجسام وُلدت في بوتقة الكون المبكر الحارقة قبل النجوم الأولى.

الكون طاهٍ عبقري، والانفجار العظيم هو وصفته المثالية. ارتفع الهيدروجين كأنه عجين هش، وذاب الهيليوم برقة الزبد، لكن الليثيوم-7 كما لو أنه أُفرط في تمليحه: النظرية تتوقع منه ثلاثة أضعاف ما يجده الفلكيون في أقدم النجوم. هذا الاختلال، 'مشكلة الليثيوم'، أفسد شهية علماء الكونيات لعقود.

في مسرح الكون الصامت، مسرحية حياة النجم تستمر مليارات السنين. لكن أحياناً يتسلل إلى المشهد مخرج خفيّ — ثقب أسود أولي. هذه الكتلة من المادة المظلمة، التي وُلدت في الثانية الأولى من الوجود (كما تنبأ ستيفن هوكينغ)، بكتلة تعادل كويكباً وحجم ذرة، يمكن أن يلتقطها نجم.

يملأ الكون مادة غير مرئية — المادة المظلمة — لا تُظهر نفسها إلا من خلال جاذبيتها. وكما أن قطرة الماء عندما تتبخر تترك بلورة ملح مجهرية، كذلك الثقب الأسود — وهو منطقة من الزمكان ذات جاذبية شديدة لدرجة أن لا شيء، حتى الضوء، يمكنه الإفلات منها — يمكن أن يتبخر تاركًا بقايا مستقرة متناهية الصغر.

الشاي الساخن في الفريزر لا يتجمد فورًا. أولاً، تتشكل إبر جليدية صغيرة تتحرك فيه — تظهر وتذوب حتى تنخفض درجة الحرارة بما يكفي ليتجمد الجليد تمامًا. هكذا تقريبًا تصرف الكون المبكر عندما كان يبرد ويغير بنيته الداخلية. يسمي الفيزيائيون هذا تحولًا طوريًا من النوع الأول — تغيرًا حادًا في الحالة، مثل الماء عند التجمد.

كشاف ضوئي يسلط نوره عبر قاعة مظلمة. بين المصباح والجدار تطفو عدسة غير مرئية — فتزداد بقعة الضوء سطوعًا للحظة وتنزاح قليلًا. هذا بالضبط ما كان يبحث عنه تلسكوب DECam خمس ليالٍ متتالية، مستهدفًا سحابة ماجلان الكبرى — المجرة التابعة لدرب التبانة. رصد التلسكوب وميضًا استمر ساعة واحدة فقط.

الضوء القديم، الذي يسافر منذ 14 مليار سنة، يصل من جميع الاتجاهات. يبدو متجانسًا تمامًا، لكن عند التدقيق، تظهر فيه تذبذبات دقيقة — كتموجات على غشاء أملس. هذه التموجات ليست ضوضاء عشوائية، بل سجل مشفر للكون. أعاد العلماء فحص بيانات القمر الصناعي «بلانك» ولاحظوا نمطًا غريبًا في استقطاب هذا الوهج. بدا الضوء «ملتويًا» قليلاً — وكأن الغشاء أظهر عدم تناظر بين اليسار واليمين.

لغز المادة المظلمة، الذي رُصد لأول مرة في الدوامات النجمية بفضل فيرا روبين، يؤرق الفيزياء منذ قرابة قرن. إحدى أكثر الفرضيات جرأة هي الثقوب السوداء الأولية، التي وُلدت في المرق الحارق للكون المبكر. يُعزى ظهورها عادة إلى التقلبات الكمومية أثناء التضخم، والتي تتطلب ضبطًا دقيقًا للبارامترات.

أول ما يتبادر إلى الذهن عند التفكير في ولادة الكون هو الانفجار. لكن علم الكونيات الحديث يرسم صورة أكثر أناقة: ولادة عبر عنق الزجاجة. هذه الهندسة ليست خيالاً، بل شكل دقيق لـثقب دودي إقليدي يربط بين عالمين مضادين لدي سيتر.

في مرجل الكون المبكر الحارق، قد يكون الفراغ – مثل سائل فائق التبريد – قد فقّع بفقاعات طور جديد. لفترة طويلة، علّق الفيزيائيون آمالهم على هذه الفقاعات كمصدر لـالثقوب السوداء الأولية – المرشحين المثاليين للمادة المظلمة. يدهم الخفية في المجرات الحلزونية رصدتها لأول مرة فيرا روبين.

ثقب أسود صغير يخترق سحابة غاز. لا يبتلعها، بل على العكس — يسخّنها مثل مكواة تُركت على قطعة قماش مبللة. يصدر عنه إشعاع، وينشأ حوله بقعة ساخنة — منطقة تكون درجة حرارتها أعلى بمئات المرات من الفضاء المحيط. كان يُعتقد سابقًا أن هذه البقع تعيش تقريبًا إلى الأبد، وتبرد ببطء ووفق قانون ثابت. لكن في العمل الجديد، أخذوا في الاعتبار أن الكون يتمدد.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، مرّ الكون بتوسع سريع — التضخم الكوني. خلال هذه الفترة، في مناطق مجهرية، ربما وصلت التقلبات العشوائية في الكثافة إلى قيم حرجة، مما أدى إلى انهيار المادة لتكوين ثقوب سوداء بدائية — أجسام بحجم البروتون، لكن بكتلة تعادل كتلة جبل جليدي.

تلتقط أجهزة كشف الموجات الثقالية همهمة منخفضة التردد، أشبه بصوت شلال بعيد. ويرصد تلسكوب ويب في الكون المبكر مجرات تحتوي على ثقوب سوداء تبدو أضخم مما ينبغي لعمرها الفتي.

الأكسيونات جسيمات أولية افتراضية أدخلها في النظرية روبرتو بيتشي وهيلين كوين عام 1977 لحل ما يُعرف بمسألة CP القوية في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تصرفت الكون وكأنه بالون منفوخ بشدة: الضغط المرتفع منع الانضغاط المحلي للمادة إلى كتل. ومع ذلك، فإن جسيمات افتراضية فائقة الثقل — وهي نوع من "أثقال" العالم الصغير — قد تكون قللت مؤقتًا من هذه المرونة. ونتيجة لذلك، تجمعت المادة بسهولة أكبر إلى كتل، ووُلدت ثقوب سوداء بدائية بكتل تتراوح بين مليار ومليار مليار طن.

يُملأ بالون بالهواء بسرعة متزايدة. في البداية يتمدد بسلاسة، لكن في لحظة ما تتعطل المضخة — تنخفض السرعة ثم تتزايد من جديد. خلال هذه الاستراحة القصيرة، تظهر فقاعات صغيرة على المطاط. ومع مزيد من النفخ، تتحول إلى عقد كثيفة. شيء مشابه حدث للكون نفسه مباشرة بعد الانفجار العظيم.

سحابة غازية ضخمة ومظلمة تنتشر في الكون الفتي. داخلها، تخترق خطوط القوى المغناطيسية، كأصابع غير مرئية، بقيت من لحظة ولادة العالم. تؤثر هذه الحقول على الجسيمات المشحونة، وتدفعها نحو بعضها البعض — مثل نسمة هواء خفيفة تجمع أوراق الشجر المتساقطة في أكوام. ونتيجة لذلك، ينضغط الغاز بسرعة أكبر إلى كتل، تنمو منها لاحقاً المجرات.

قطرات من صنبور غير محكم الإغلاق تُنتج إيقاعًا واضحًا. إيقاع مماثل، ولكن على نطاق الكون، اكتشفه علماء الفيزياء الفلكية: تشكل الثقوب السوداء البدائية - أجسام صغيرة وُلدت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم - يسير أيضًا ليس بشكل فوضوي، بل بانتظام صارم. كتلة هذا الثقب لا تنمو بسلاسة، بل على شكل قفزات، وكأنها تكرر نفس النمط مرارًا وتكرارًا، لكن في كل مرة بمقياس مصغر.